钢板桩在基坑开挖支护中的应用

□张征浩　□张光明（河南省水利勘测设计研究有限公司）



钢板桩在基坑开挖支护中的应用

□张征浩□张光明（河南省水利勘测设计研究有限公司）

摘要：随着经济的快速发展，中国基础设施建设行业发展迅猛，有时需要在很多现状河道或者渠道上修建跨河、跨渠建筑物，在有条件限制时，需要对现状河道或者渠道的边坡进行开挖施工。钢板桩作为一种快速、有效并能显著减少开挖范围的临时支护方案，已经广泛应用于工程中的分离墙、河堤、码头、壁岸防护、临时围堰等。文章通过对钢板桩在南水北调总干渠渠道外坡开挖中的具体应用分析，对以后类似跨渠建筑物的修建提供参考。

关键词：钢板桩；渠道外坡；开挖支护

1工程概述

省道236改建工程在南水北调总干渠宝丰至郏县段SH（3）55+791.40处跨越，路渠夹角90°，桥面全宽13 m。桥位处总干渠为半挖半填渠道断面，总干渠底板高程120.59 m，设计水位127.59 m，最大水位128.22 m，底宽24.50 m，堤顶高程129.08 m。总干渠渠堤填高约4 m，全断面采用混凝土板衬砌，渠道外坡脚采用干砌块石加强防护，防护高度2.50 m。

为避免桥梁建设对总干渠输水能力的影响，桥梁采用50+90+50 m跨径组合，中跨一跨直接跨越总干渠，将桥墩置于总干渠外坡坡脚之外。由于桥墩设置有3 m高承台，承台施工开挖时需要占用总干渠渠堤外坡，承台底高程121.45 m，现状渠堤外坡脚处地面高程124.52 m，承台施工时渠堤外坡临空面高度4.50 m。由于桥梁建设时，南水北调总干渠渠堤已经填筑完成并已试通水，渠堤外坡应尽可能减少开挖范围，并需进行必要的临时支护，同时需保证总干渠的运营安全。

桥位处场区地层主要有第四系上更新统冲洪积成因及中更新统冲洪积成因土层、上第三系洛阳组岩层，与渠堤渗透稳定分析及边坡稳定分析有关的地层为黄土状重粉质壤土、重粉质壤土。

2承台基坑开挖支护方案

由于承台基坑开挖深度约4 m，且总干渠渠堤填高约4 m，经比较分析，决定在承台基坑开挖时采用工程经济、施工快捷的钢板桩支护方案对渠堤外坡进行临时支护。根据钢板桩性能参数，型号采用PU12型。为减少对总干渠渠堤的扰动，施工方式采用静压施工，钢板桩施工完成后不再拔出，为此需要对钢板桩做防锈蚀处理：刷红丹酚醛防锈底漆，再涂灰铝粉石墨面漆，各两道，每道干膜厚度≥35 μm，总干膜厚度≥140 μm。

钢板桩中心沿承台四周距离承台边缘1m（渠堤外坡脚侧距离承台边缘0.25 m，钢板桩直接作为承台模板使用）布置。总干渠渠堤侧钢板桩桩顶高程为125.95 m，桩底高程116.95 m，桩长9 m；承台其余三侧的钢板桩桩长8 m，桩顶高程与现状地面齐平。为减少钢板桩变形对总干渠渠堤安全的影响，在钢板桩施工完成并进行承台基坑开挖时，采用18#工字钢对钢板桩进行支撑加固，横桥向间隔3 m设置，边开挖边支撑，支撑位置在钢板桩桩顶以下50 cm处。

为保证总干渠的安全，在钢板桩施工过程中，要求施工单位在桥位处30 m范围内的总干渠堤顶每间隔10 m设置4处观测点对渠堤的沉降和变形进行监测。

3总干渠外坡渗透稳定分析

以桥位处总干渠断面进行渗流计算分析，该断面为半挖半填断面，填土采用渠道开挖弃料黄土状重粉质壤土，渠基为黄土状重粉质壤土。渗透稳定计算考虑的工况为防渗材料失效，渠道内水向渠堤外渗漏，计算钢板桩布设前后渠堤堤身、堤基及背水坡渗流出逸段的渗透稳定性。

渗流计算采用有限元数值分析方法计算，采用河海大学工程力学研究所编制的《水工结构有限元分析系统》程序进行计算分析。基本模型为：

式中：H为渗流场的水头函数，P为水压力，γ为水容重，Kx和Ky分别为x和y方向土的渗透系数。

典型断面所采用的地质参数见表1。

根据《水利水电工程地质勘察规范》（SL274-2001）及地层情况，土的渗透变形类型判别为流土型，因此按流土型计算临界水力坡降和允许水力坡降，计算公式如下：

表1　渗透计算采用地质参数表

式中：Jcr—土的临界水力坡降；J允许—土的允许水力坡降；GS—土的颗粒密度与水的密度之比；n—土的孔隙率（%）；e—孔隙比；K—安全系数为1.50～2.50，按2.00选取。

经有限元程序计算，渠道断面在外坡脚的出逸高度和出逸段的计算渗透比降具体见表2。

表2　渗透计算成果表

根据计算结果，渠道防渗失效后，按照规范要求，钢板桩布设前后，不安全出逸高度相差约1m，不安全出逸高度以下边坡需采取贴坡排水防护措施，贴坡排水为：土工布（400 g/m2）+ 10 cm砂砾石+30 cm干砌石。

考虑到填方高度、浸润线不安全出逸高度及浸润线出逸高度，设计贴坡排水防护高度H=浸润线出逸点高度+0.50 m= 1.95 m。由于总干渠渠堤外坡设计有高度2 m的干砌块石坡面防护，略大于设计贴坡防护高度，渠坡增设钢板桩阻水致使浸润线抬高后，干砌块石贴坡防护高度满足要求。

4总干渠边坡稳定分析

根据外坡渗流分析计算成果，渠堤增设钢板桩后，渠道浸润线明显抬高，需对渠道边坡进行复核计算分析。渠道内坡计算考虑“渠道防渗有效，地下水稳定渗流”，渠段地下水位低于设计渠底以下约5m，故钢板桩布设对渠道内坡稳定基本无影响，故仅对渠道外坡进行计算分析。

渠道外边坡计算工况、计算参数及计算方法与初步设计阶段一致，计算参数见表3。

表3　计算参数采用值表

钢板桩布设前，边坡稳定计算成果为：设计工况“渠道内设计水深7 m，地下水处于稳定渗流，防渗有效”，安全系数F1= 3.12；校核工况“填方渠内加大水深，局部防渗失效，计算渠堤外坡稳定”，安全系数F2=2.13，均满足设计要求。

钢板桩布设后，浸润线抬高，在仅考虑钢板桩对边坡临空面的支撑时，边坡稳定计算成果为：设计工况“渠道内设计水深7 m，地下水处于稳定渗流，防渗有效”，安全系数F1=2.98；校核工况“填方渠内加大水深，局部防渗失效，计算渠堤外坡稳定”，安全系数F2=1.98，较钢板桩布设前安全系数有所降低，但仍均满足设计要求。

根据以上计算分析可知，桥梁桩基承台施工采用钢板桩支护后，由于钢板桩施工完毕后不再拔出，钢板阻水致使浸润线抬高后，贴坡防护高度仍满足设计要求，同时使渠堤外坡稳定安全系数降低，设计和校核工况下，安全系数分别由F1=3.12和F2= 2.13降低至F1=2.98和F2=1.98，仍满足设计安全系数≥1.50和校核安全系数≥1.30的要求。

5结语

根据对总干渠边坡的渗透稳定及边坡稳定分析计算，钢板桩布设后，浸润线不安全出逸高度1.45 m，设计贴坡防护高度1.95 m，仍小于总干渠渠堤外坡设计的干砌块石坡面防护高度2 m；虽然钢板阻水致使浸润线抬高、渠堤外坡稳定安全系数降低，但贴坡防护高度、安全系数仍满足设计安全系数、校核安全系数的要求。综合以上情况，采用钢板桩临时支护方案对总干渠渠堤外坡进行局部开挖是可行的。

目前，省道236改建工程跨南水北调总干渠大桥已经竣工通车，总干渠也已正式通水运营且运营情况良好。渠道边坡的局部开挖支护方案得到实践验证，可以为以后跨渠建筑物的修建提供参考经验。

（责任编辑：刘长垠韦诗佳）

中图分类号：U445

文献标识码：A

文章编号：1673-8853（2016）05-0062-02

收稿日期：2016-02-12